R1 Pro 自主导航系统教程

1. 产品介绍

该系统包含了建图、定位、导航和控制模块。 机器人可在环境下构建点云地图，并依此实现全局定位和目标点的自主移动和避障。

自主导航系统为付费启用功能，目前处于测试阶段，如需深入了解及购买试用，请联系product@galaxea.ai或致电4008780980。

2. 硬件介绍

2.1 性能参数

定位	描述
定位方式	激光SLAM
定位频率	100 Hz
定位精度	＜0.05 m

运动控制	描述
控制方式	自主导航（路径跟踪）
最大行驶速度	0.6 m/s
避障方式	绕障
避障频率	10-20 Hz

网络	描述
有线网络	支持
WiFi	支持

2.2 传感器配置

Galaxea R1Pro 配备了多种传感器，其中包括9个高清摄像头和2个激光雷达，使其能够全方位感知周围环境。

传感器	描述
相机	头部：1 x 双目深度相机 腕部：2 x 单目深度相机 底盘：5 x 单目相机
激光雷达	1 x 360° (可选配两个激光雷达)

2.2.1 相机

规格	头部	腕部	底盘
类型	双目深度相机	单目深度相机	单目相机
数量	1	2	5
输出分辨率	1920 x 1080 @30FPS	1280 x 720 @30FPS (RGB 1920 x 1080)	1920 x 1080 @30FPS
视场角	110°H x 70°V x 120°D	87°H x 58°V x 95°D	118°H x 62°V
深度范围	0.3 m ~ 20 m	0.2 m ~ 3 m	\
工作温度	-10 °C ~ +45°C	0 ~ +85℃	-40 ~ +85℃
尺寸	175L x 30W x 32H mm	90L x 25W x 25H mm	30L x 30W x 23H mm
重量	164 g	75 g	<50 g

2.2.2 激光雷达

底盘配备360°激光雷达*，精度高且抗干扰能力强。

雷达	说明
数量	1 ~ 2
视场角	360°H x 59°V
激光波长	905 nm
检测范围	40 m @10% 反射率 70 m @80% 反射率
近距离盲区	0.1 m
数据端口	100 BASE-TX 以太网
IMU	内置IMU
工作温度范围	-20 ~ +55℃
尺寸	65L x 65W x 60H mm
重量	265 g

* 标配1个激光雷达，可根据用户需求选择激光雷达配置数量。

3. 软件介绍

请确保您的环境满足以下软件依赖要求。

1. 硬件依赖：R1 Pro 计算单元
2. 操作系统依赖：Ubuntu 22.04 LTS
3. 中间件依赖：ROS Humble

R1 Pro机器人软件版本必须安装V2.1.1及以上的SDK。

4. 定位导航操作流程

地图构建是机器人自主导航的基础步骤。通过遥控机器人录制地图数据（mcap文件），并在本地电脑上进行处理和构建地图，最后将地图上传至机器人端指定目录，完成地图的部署。根据以下教程内容所示，设置目标位姿，修改目标文件，运行后实现定点导航。

4.1 构建地图

4.1.1 启动 R1 Pro

通过SSH登录至 R1 Pro ECU。

ssh nvidia@robot_ip
# Enter the password  (default: nvidia)

运行以下指令，启动R1的相关节点。

cd ~/galaxea/install/startup_config/share/startup_config/script/
./robot_startup.sh boot ../sessions.d/ATCNavigation/R1PROVRTeleopNAV.d/

4.1.2 录制数据包

运行以下指令，开始录制bag文件。

# 检查 topic 是否齐全, 是否有正常帧率输出
ros2 topic hz /hdas/imu_chassis 
ros2 topic hz /hdas/lidar_chassis_left # 10hz
ros2 topic hz /hdas/feedback_chassis
cd ~
ros2 bag record /hdas/imu_chassis /hdas/lidar_chassis_left /hdas/feedback_chassis -s mcap

通过遥控器控制机器人在所需建图空间内移动，确保覆盖所有需要导航的区域。

遥控器操控机器人底盘方式请点击此处查阅。

当完成地图数据录制后，按下Ctrl + C结束录制。

注意：

• 请将机器人移动到准备建图的区域，目前仅支持室内，区域最大规模不超过100平方米，楼层高度不超过5米的场景。
• 在录制开始时，机器人需保持静止状态，并持续5秒以上，以保证数据质量。
• 在录制数据时，应确保环境中没有动态目标（如移动的人员或物体），避免跟随在机器人附近移动，以避免干扰地图构建。
• 建图完成后在后续使用中，请确保环境内没有场景变更（如新增桌子，隔断等），否则需要重新进行建图。
• 机器人移动应完整覆盖建导航区域2次，即控制机器人在同一路线行驶2次，如下图，从 1 ~ 8 完成两圈行驶。

4.1.3 获取建图运行环境(Docker)

1. 下载并安装Docker镜像

   请发送邮件至support@galaxea.ai获取文件。

   推荐查看Docker安装教程进行安装。

2. 加载Docker文件 执行以下命令在本地电脑上加载Docker文件

   sudo docker load -i galaxea_main_mapping_image_ros2.tar.gz
   

   docker默认挂载在根目录，请预留20G以上存储空间。如需更改挂载路径，请参考:

   ```bash
   # 1. 在 /etc/docker/ 目录下创建一个新的 daemon.json 文件：
   sudo vim /etc/docker/daemon.json
   # 2. 在打开的文件中，添加以下内容，将 Docker 存储目录改为希望挂载的路径
   {
   "data-root": "/path/to/target_dir"
   }
   # 3. 保存并退出。按下'shift'+ ':'，输入'w'+'q'，然后按下回车键。
   # 4. 修改配置后，重启 Docker 服务使配置生效：
   sudo systemctl restart docker
   ```
   

3. 下载默认标定文件。如已购买，我们将会以官方邮件的形式发送给您。

4.1.4 在环境中建图

1. 在本地电脑终端中，运行以下命令将录制的bag文件从R1 Pro端拉取到本地。

   scp nvidia@{robot_ip}:~/{xxx.bag} .
   # [robot_ip]为R1的IP地址;
   # [xxx.bag]为录制的bag文件名。
   

2. 准备好bag文件和标定参数文件。

   mkdir -p ~/mapping_data
   cp /path/to/xxx.bag ~/mapping_data
   cp /path/to/robot_calibration.json ~/mapping_data
   

3. 启动Docker并开始建图。

   sudo docker run --rm  -v ~/mapping_data:/mapping_data galaxea-mapping:v2.0.2 bash -c "./root/run_mapping_app.sh /mapping_data"
   

4. 查看建图结果。

   cd ~/mapping_data/map
   # map.obj 文件即为地图结果.  可以使用meshlab打开查看点云. 
   # sudo apt-get install meshlab
   meshlab map.obj
   

4.1.5 导入地图和标定文件

执行以下命将地图和标定文件导入至R1 Pro

ssh nvidia@{rorbot_ip} "mkdir -p ~/galaxea/calib ~/galaxea/maps"
scp -r ~/mapping_data/map/* nvidia@{robot_ip}:~/galaxea/maps/
scp -r ~/mapping_data/robot_calibration.json nvidia@{robot_ip}:~/galaxea/calib/

4.2 启动定位功能

启动定位功能时，确保机器人在已知地图中。

1. 启动软件

   在R1 Pro端执行以下命令，启动相关节点。

   cd ~/galaxea/install/startup_config/share/startup_config/script/
   ./robot_startup.sh boot ../sessions.d/ATCNavigation/R1PROVRTeleopNAV.d/
   

2. 获取定位

   将遥控器拨到底盘控制模式，操作机器人已知地图环境中2m范围内低速绕圈10~30秒进行定位初始化，并观察如下命令的输出。

   在R1Pro中，运行以下命令检查定位状态：

   source ~/galaxea/install/setup.bash
   ros2 run tf2_ros tf2_echo map body
   

   若正常返回以下类似数据，则定位成功：

   - Translation: [3.280, -0.743, 0.008]
   - Rotation: in Quaternion [0.000, -0.004, -0.147, 0.989] # xx y z w
   

4.3 设置目标位姿

1. 遥控机器人到目标点
   启动定位成功后，将机器人遥控到客户想设定的目标点处，确保R1中心远离障碍物至少45cm。

2. 记录位姿信息
   每遥控至一个目标点，记录该位置的位姿信息：

   - Translation: [3.280, -0.743, 0.008]
   - Rotation: in Quaternion [0.000, -0.004, -0.147, 0.989] # x y z w
   

3. 更新导航目标点下发脚本
   重复上述过程，记录所有目标点的位姿信息后，将所有目标点位姿信息更新到导航目标点下发脚本中。

   脚本示例如下，修改pose中position和orientation为目标点信息。

   ros2 topic pub /system_manager/task/navigation_enage system_manager_msg/msg/TaskRequest "{
       header: {
           stamp: {sec: 0, nanosec: 0},
           frame_id: 'map'
       },
       task_type: 1,
       navigation_task: {
           target_pose: {
           header: {
               stamp: {sec: 0, nanosec: 0},
               frame_id: 'map'
           },
           pose: {
               position: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0},
               orientation: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0, w: 1.0}
           }
           },
           start_point_id: 0,
           target_point_id: 0,
           mid_point_id: [],
           target_point_type: 0,
           reserved: ''
       },
       manipulation_task: {
           manip_type: 0,
           manip_object: 0,
           manip_action: 0,
           boundary_box: {left: 0.0, top: 0.0, right: 0.0, bottom: 0.0},
           position: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0},
           reserved: ''
       },
       poseadjust_task: {
           torso_pose: {
           position: [],
           velocity: [],
           effort: []
           }
       },
       reserved: 'grid'
   }"
   

5. 软件接口

5.1 系统框图

5.2 驱动接口

R1提供了多种驱动接口，用于与硬件设备进行通信和控制。以下是主要的驱动接口及其说明：

5.2.1 底盘驱动接口

/motion_control/chassis_speed：用于控制机器人底盘的运动，包括速度控制、方向控制等。请前往R1Pro软件介绍查看底盘驱动接口章节获取更多详细信息。

5.2.2 激光雷达接口

/hdas/lidar_chassis_left：激光雷达用于环境感知和距离测量，为机器人提供实时的环境信息。请前往R1Pro软件介绍查看激光雷达接口章节获取更多详细信息。

5.2.3 IMU接口

/hdas/imu_chassis：IMU用于测量机器人的加速度、角速度等信息，为导航和姿态控制提供数据支持。请前往R1Pro软件介绍查看IMU接口章节获取更多详细信息。

5.3 运控接口

R1Pro机器人提供了多种运动控制接口，用于实现对机器人运动的精确控制。以下是主要的运控接口及其说明：

5.3.1 底盘控制接口

/motion_target/target_speed_chassis：用于控制机器人底盘的运动，包括速度控制、方向控制等。请前往R1Pro软件手册的“底盘控制接口”章节获取更多详细信息。

5.4 定位接口

定位（Localization）接口是 R1 Pro 机器人实现自主导航和环境感知的核心组件。通过这些接口，机器人能够接收来自多种传感器的数据，如IMU（惯性测量单元）和激光雷达，从而实现精确的多传感器融合定位。这些接口确保机器人能够在复杂环境中准确地感知自身位置和姿态，为后续的路径规划和导航提供可靠的数据支持。本章节详细介绍了定位接口的各个话题，包括输入和输出数据的类型及其用途。

话题名称	I/O	描述	消息类型
/hdas/imu_chassis	Input	IMU数据，用于多传感器融合定位	sensor_msgs::Imu
/hdas/lidar_chassis_left	Input	多线激光雷达点云，用于定位	sensor_msgs/PointCloud2
/localization/localization_results	Output	SLAM定位状态	localization_msg/LocLocalization

5.5 导航话题接口

导航（Navigation）接口是 R1 Pro 机器人实现自主路径规划和运动控制的关键部分。这些接口允许机器人根据输入的传感器数据（如激光雷达点云和SLAM定位状态）进行全局和局部路径规划，并输出控制指令以驱动机器人底盘运动。导航接口不仅支持避障功能，还能够实时更新机器人的运动轨迹和任务状态，确保机器人能够高效、安全地完成导航任务。本章节详细介绍了导航接口的各个话题，包括输入和输出数据的类型及其用途。

话题名称	I/O	描述	消息类型
/hdas/lidar_chassis_left	Input	多线激光雷达点云，用于避障	sensor_msgs/PointCloud2
/localization/localization_results	Input	SLAM定位状态	localization_msg/LocLocalization
/system_manager/task/request	Input	导航任务接口	system_manager_msg/TaskRequest
/nav/local_path	Output	局部路径规划器规划的局部路径	sensor_msgs/PointCloud2
/nav/global_path	Output	全局路径规划器规划的全局路径	sensor_msgs/PointCloud2
/nav/robot_global_traj	Output	机器人行驶的全局轨迹	nav_msgs/Path
/nav/global_map	Output	导航全局代价地图，用于规划全局路径	nav_msgs/OccupancyGrid
/nav/local_map	Output	导航局部代价地图，用于规划局部路径	nav_msgs/OccupancyGrid
/nav/global_goal	Output	导航接收的目标点，用于可视化	geometry_msgs/PoseStamped
/motion_target/target_speed_chassis	Output	导航输出控制速度	geometry_msgs/Twist
/system_manager/task/response	Output	导航任务完成情况	system_manager_msg/TaskResponse